СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 6/2016

ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2016 Ультразвуковая разварка медной проволокой в серийном производстве Рост требований к полупроводниковым компонентам обусловил внедрение новых технологий монтажа кристаллов. Одной из перспективных технологий является разварка кристаллов с использованием медной проволоки. Несмотря на ряд преимуществ, специфика данного технологического процесса требует уделить больше внимания состоянию расходных материалов для разварки, по сравнению с разваркой алюминиевой проволокой. Данная статья описывает критерии для оценки износа расходных материалов и пути снижения износа. Михаэль Брокельман (Германия) Перевод: Павел Башта, Кристина Набережных, Надежда Елькова В ВЕДЕНИЕ В последнее время из-за роста потреб- ности в эффективных и высоконадёж- ных устройствах, таких как оборудова- ние для возобновляемых источников энергии и электротранспорта, интен- сивно разрабатываются новые техноло- гии соединения силовых полупровод- никовых приборов. Помимо современ- ных технологий монтажа кристаллов, например спекания, для создания сое- динения на верхней стороне подложек в силовой электронике сейчас активно внедряется технология разварки мед- ной проволокой, а в ближайшем буду- щем планируется массовое производ- ство изделий с медной проволокой. На сегодняшний день медная проволо- кашироко востребована в качестве мате- риала для разварки кристаллов, посколь- ку её характеристики значительно пре- восходят стандартно используемую алюминиевую проволоку. Медные сое- динения обладают более высокой элек- тро- и теплопроводностью, а также меха- нической стабильностью, по сравнению с алюминиевыми. Кроме того, кристаллы с металлизированнымимедьюконтакт- нымиплощадкамиипоследующейраз- варкой медной проволокой проявляют более низкое несоответствие темпера- турных коэффициентов линейного рас- ширения (Si – 2,6 ppm/K, Al – 23 ppm/K, Cu – 17 ppm/K), что повышает механиче- скуюпрочность и обеспечивает надёж- ность контактных соединений. Р АЗВАРКА МЕДНОЙ ПРОВОЛОКОЙ Преимущества и недостатки Современные тенденции в области силовой электроники связаны, в основ- ном, с более высокими энергиями и температурами соединений. Помимо усовершенствования метода формиро- вания соединения на нижней стороне силового полупроводникового прибо- ра необходимо также улучшить метод формирования соединения и на верх- ней стороне. Использование алюминия нецелесообразно из-за его ограничен- ной электропроводности и температур- ной стабильности, поэтому медь стано- вится единственной подходящей аль- тернативой. Медная проволока, по сравнению с алюминиевой, имеет меньший срок хранения и более высокую стоимость. По этой причине медная проволока ещё не заменила алюминиевую в круп- номасштабном производстве. Кроме того, при разработке изделий и полу- проводниковых продуктов необходи- мо учитывать возможность примене- ния в них медной проволоки. Метал- лизация поверхности кристаллов или выводных рамок алюминием не допу- скает использования разварки медной проволокой. При разварке алюминиевой прово- локой инструмент разварки обеспе- чивает около 100 000 сварок. После очистки скопившихся во время рабо- ты остатков проволоки инструмент можно использовать ещё несколь- ко раз (в общей сложности до 1 млн сварок). При использовании медной проволоки срок службы инструмента составляет менее 30 000 сварок, остат- ки проволоки не скапливаются, однако изнашивается сам инструмент. В зави- симости от инструмента срок службы может меняться. Короткий интервал замены инструмента увеличивает вре- мя вынужденного простоя оборудова- ния, а также затраты на его обслужива- ние, что, в свою очередь, сказывается на конечной стоимости изделия. Именно поэтому использование медной прово- локи в разварке кажется производите- лям невыгодным. Учитывая сказанное, перед постав- щиками инструмента и оборудования для разварки можно поставить две цели. Во-первых, увеличить срок экс- плуатации инструмента разварки мед- ной проволокой путём изменения при- меняемых материалов, конструкции и технологических параметров про- цесса разварки. Во-вторых, внедрить неразрушающий метод мониторинга процесса для обеспечения желаемо- го качества соединений и определе- ния фактического состояния износа инструмента разварки. Механизм износа Основным недостатком разварки толстой медной проволокой является малый срок службы расходных мате- риалов, особенно инструментов раз- варки и ножей для обрезки проволоки. Модуль упругостиЮнга и предел проч- ности на растяжение у медной прово- локи значительно выше, чем у алю- миниевой, поэтому усилие разварки и ультразвуковая мощность примерно в 2–3 раза превышают те же показатели при стандартной разварке алюминие- вой проволокой. В сочетании с плотно- стью и абразивными свойствами мед- ной проволоки это значительно сни- жает срок службы соответствующих инструментов. При проведении иссле- дований на долговечность, которые описаны далее, была выполнена толь- ко единичная разварка без формиро- вания петли. На рисунке 1a изображён новый стандартный инструмент для развар- ки проволокой диаметром 500 мкм (вид снизу). Инструмент изготовлен из карбида вольфрама и взят за обра- зец во всех последующих исследовани- ях (инструмент A). На фото видны две площадки V-образной канавки инстру-